CN105954168A - 高时空分辨率的非饱和土三维渗流场观测试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高时空分辨率的非饱和土三维渗流场观测试验装置，包括渗流试验模型系统、PIV测试系统和孔压传感器量测系统，与现有技术相比，本发明公开的试验装置可通过渗流试验模型系统真实再现土体自然状态下的降雨入渗过程，通过电子天平、CCD高速相机和微型孔压传感器可分别快速连续量测土体的进出流体量和土体孔压变化情况，同时依据不同饱和度的土体具有不同的颜色灰度，来实现渗流场湿化前沿轨迹的跟踪，通过CCD高速相机连续、多侧面的拍照来实现高时空分辨率的非饱和土三维渗流场观测。本发明模型试验装置操作方便，涉及的仪器构造简单，可调性强，易于掌握，对于解决涉及非饱和土渗流的岩土工程问题具有重要意义。

Description

高时空分辨率的非饱和土三维渗流场观测试验装置

技术领域

本发明涉及一种应用于岩土工程土工试验的模型试验装置，具体是一种具有高时空分辨率的非饱和土三维渗流场观测的试验装置。

背景技术

一般认为土体由固相（土颗粒）、液相（水或其它液体）和气相（气体）三相构成，在土颗粒孔隙完全由液相填充，即水（或其它液体）占土体孔隙的比例为100%时，该土体称为饱和土；反之，土体孔隙由液相和气相填充，即饱和度小于100%但大于0%时，该土体称为非饱和土。

渗流是一种地下水运动，当建筑物及其地基内存在水位差时，地下水将从水位高的地方向水位低的地方产生流动，形成渗流。渗流是一门与水力学和岩土力学有着密切关系的学科，随着近代科学技术的不断发展，渗流在基本理论、试验手段、计算方法和应用等方面都得到了极大发展，逐渐成为一门专门的学科，已能解决各种复杂的工程问题。

非饱和土广泛分布于干旱-半干旱地区，如土坡、土石坝、路基填土以及垃圾填埋场大都处于非饱和状态。随着经济的发展以及人类活动的频繁，越来越多的非饱和土工程问题亟待解决。由于外部自然条件的变化，如降雨、入渗、蒸发、地震等引起的边坡失稳、坝基坍塌等地质灾害现象以及人类自身活动，如城市生活垃圾和工业废弃物等不当处置而引起的地下水污染问题。这些问题的研究本质都是探讨非饱和土孔隙中的流体渗流场问题，如水-气或水-污染物等两相或多相渗流以及变形问题。位于土体表面与地下水位线之间的非饱和土区域中的水分迁移是一个连续的渗流状态。非饱和土渗流的区域含水量分布情况深受季节气候变化各种因素的影响。由于非饱和土中流体的流动，使得土体内的应力场分布也随之变化，从而改变了土体介质的结构，影响了流体的渗透，而由于渗透产生了渗透作用力以及外部水荷载的不断变化，改变了土体的应力场的分布。因此非饱和土区域的渗流特性分析是解决基础工程和边坡稳定性分析、废物处理及其污染物迁移问题的关键，已引起大量学者的关注。

通过理论分析和数值模拟已对非饱和土渗流场进行了相关的研究，但通过模型试验实现对非饱和土渗流场观测的研究甚少。一般的模型试验也是仅局限于土体一维或者二维渗流场，未设计到土体的三维渗流场的研究。目前现场或者大量模型试验研究非饱和土渗流场对力学特性影响，一般通过局部布设的含水率与孔压传感器观测点，来预测整个渗流场的分布情况。实际测试中，如果测量点偏离于非饱和土渗流场分布的关键点时，从而会导致整个非饱和土渗流预测的失败。同时非饱和土的渗流往往是瞬间完成，因此非饱和土三维渗流场的高时空分辨率的观测显得非常必要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种构造简单，操作方便，易于掌握的具有高时空分辨率的非饱和土三维渗流场观测试验装置。

本发明采用以下技术方案实现上述目的：

一种高时空分辨率的非饱和土三维渗流场观测试验装置，它包括渗流试验模型系统、PIV测试系统和孔压传感器量测系统；

渗流试验模型系统包括上部开敞的透明模型箱，模型箱内装满土颗粒，模型箱外部设有进液装置，进液装置包括储液器及通过进液管依次连接的磁力水泵、水头量管、进液阀和溢流口，溢流口均匀的设置在模型箱上方，模型箱底部铺设过滤层，模型箱底部外侧设置有流体收集装置，流体收集装置包括出液管、出液阀、收液器及液体量测装置；

PIV测量系统包括泛光灯、CCD高速相机和图像采集处理器，CCD高速相机分别设置在透明模型箱的前方、上方和侧方及水头量管的侧边，泛光灯设在 CCD高速相机上方，CCD高速相机与图像采集处理器连接；

孔压传感器量测系统包括孔压传感器，孔压传感器均匀的设置于透明模型箱的一侧面，孔压传感器与数据采集处理器相连。

所述土颗粒为砂土颗粒或黏土颗粒或透明土颗粒。

所述透明土颗粒为熔凝石英、石英砂、硅粉中的一种或任两种的混合物。

所述土颗粒为砂土颗粒或黏土颗粒，储液器内液体为水；所述土颗粒为透明土颗粒，储液器内装有透明土溶液，透明土溶液与透明土颗粒的折射率相同。

透明土溶液为溴化钙溶液或Krystol40白油与高级化妆品级白油按照质量比1:1的配置的混合液或正十二烷与十五号白油按质量比1∶4 配置的混合液。

所述液体量测装置为电子天平，收液器置于电子天平上，或者收液器上带刻度。

模型箱的正面、上面和侧面的侧边均设置有等间距的图像分析参考圆点。

模型箱正面和背面设置有防止模型箱变形的钢支架。

所述过滤层的过滤材料为砾石或标准砂，根据透明土颗粒的级配选择过滤材料的级配。

本发明具有以下有益效果：本发明公开的模型试验装置涉及的仪器构造简单，操作方便，易于掌握；本试验装置可通过渗流试验模型系统真实再现土体自然状态下的降雨入渗过程，通过电子天平、CCD高速相机和微型孔压传感器可分别快速连续量测土体的进出液体量和土体孔压变化情况，同时根据不同饱和度的土体具有不同的颜色灰度，来实现渗流场湿化前沿轨迹的跟踪，通过CCD高速相机连续、多侧面的拍照来实现高时空分辨率的非饱和土三维渗流场观测。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明模型箱试验系统上部俯视图。

图3为本发明水头量管与高速相机相对位置图。

具体实施方式

如图1～3所示，一种高时空分辨率的非饱和土三维渗流场观测试验装置，它包括渗流试验模型系统、PIV测试系统和孔压传感器量测系统；

渗流试验模型系统包括上部开敞的透明模型箱1，模型箱1内装满土颗粒9，土颗粒为砂土颗粒或黏土颗粒或透明土颗粒，模型箱1外部设有进液装置，进液装置包括储液器6及通过进液管依次连接的磁力水泵4、水头量管2、进液阀12和溢流口11，所述土颗粒为砂土颗粒或黏土颗粒时，储液器6内液体为水；所述土颗粒为透明土颗粒时，储液器6内装有透明土溶液，透明土溶液与透明土颗粒的折射率相同，溢流口11均匀的设置在模型箱1上方，模型箱1底部铺设过滤层10，模型箱1底部外侧设置有流体收集装置，流体收集装置包括出液管、出液阀13、收液器5及液体量测装置；所述液体量测装置为电子天平3，收液器5置于电子天平3上，或者收液器5上带刻度，以便准确地量测整个透明土体流出流体量，将电子天平与数据采集处理器15连接，用VB中的MSComm控件和计算机串口来读取电子天平中的数据，以便进行数据处理；

PIV测量系统包括泛光灯14、CCD高速相机17和图像采集处理器15，CCD高速相机17分别设置在透明模型箱1的前方、上方和侧方及水头量管2的侧边，泛光灯14设在 CCD高速相机17的上方，CCD高速相机17与图像采集处理器15连接；

孔压传感器量测系统包括孔压传感器16，孔压传感器16均匀的设置于透明模型箱1的侧面，孔压传感器16与数据采集处理器15相连。

所述模型箱1是钢化玻璃或有机玻璃制成，具体尺寸为H×L×B为1500×1200×200mm，其厚度为200mm，相对H、L较薄，是为了正面拍摄时，保证处于饱和状态透明土的可透视性。

所述水头量管2是有机玻璃量管，长度为2000mm，上面设置刻度，精度为0.1mm³，试验过程中若水头下降速度非常快时，人工读取数据是不可取的，所以在水头量管2的侧边设置2台CCD高速相机高速拍照，读取水头高度，2台CCD高速相机观测区域有重叠部分，是为了保证整个水头数据观测的连续性。

所述电子天平3的量程为5000g，精度为0.05g，工作温度范围为5℃～25℃，外形尺寸为270×190×265mm。

所述磁力水泵4为MD-20RZ(M)-N系列磁力水泵，软管连接的入口和出口直径均为18mm，螺纹连接的出入口联管节直径为13mm，最大流量为10L/min，最高扬程为4.9m，标准工况点为4～6m-L/min，工作温度范围为0～80⁰C，输出功率为20W，马达输入功率为40W，泵体材料采用聚丙烯混玻璃纤维（GFRPP）。MD系列磁力泵具有结构小巧，无轴封设计，泵体完全密封。

所述收液器5的容量大约为5000mm³；储液器6的尺寸为1000×1000×400mm。

模型箱的正面、上面和侧面的侧边均设置有等间距的图像分析参考圆点7，所述图像分析参考圆点直径为5mm，沿高度间距50mm均匀分布于模型箱内侧壁，CCD高速相机拍照，图像分析参考圆点7在图像中作为参考点，方便进行图像分析。

模型箱正面和背面设置有防止模型箱变形的钢支架8，所述钢支架材料为型钢或高强度钢板，具体尺寸：高度为1500mm，宽度为30mm，厚度为5mm。

所述透明土颗粒9为熔凝石英、石英砂、硅粉中的一种或任两种的混合物，熔凝石英、石英砂或二者的混合物可模拟砂土，硅粉可用来模拟黏土，硅粉与熔凝石英、石英砂任一种的混合土可用来研究不同颗粒级对非饱和土渗流场的影响；透明土固体颗粒的密度可根据岩土工程具体情况而设定。

透明土溶液为溴化钙溶液或Krystol40白油与高级化妆品级白油按照质量比1:1的配置的混合液或正十二烷与十五号白油按质量比1∶4 配置的混合液，透明土溶液与透明土颗粒的折射率相同，可用阿贝折射仪检测配置的透明土溶液的折射率。

所述过滤层10厚度为100mm，可有效地防止透明土固体颗粒的流失，过滤材料为砾石或标准砂，可根据透明土颗粒的级配确定过滤层的级配。

所述溢流口11为塑料漏斗，上口径为30mm，下口径为20mm，在距模型箱顶部一定高度的平面上均匀布设6个溢流口。

进液阀12和出液阀13均是ABS或PVC材料制成的两通阀门。

所述泛光灯14是额定功率为30W的交直流LED泛光灯。

所述CCD高速相机17分辨率为1626pixel×1236pixel，像素尺寸为4.4μm×4.4μm，曝光时间为100μs×80ms，采集速率可达200fps，同时提供Camlink专用接口。

所述孔压传感器16为HC-25微型孔压传感器，其量测范围为0～35kPa，其精度为±0.1%FS，过载压力为2倍的额定压力，压力介质为大多数导电性液体和气体，工作温度为-20～+120⁰C，工作电压为10VDC额定，输出信号为0～100mV/0～5V/4～20Ma，采用微加工硅膜片为核心元件，高精度集成压阻力敏元件，用国际先进的微型化制作与封装工艺，进行了精致巧妙的微型封装。孔压传感器采集的数据可用无线传输到外部的计算机中。

实施例一

采用上述试验装置进行非饱和土三维渗流场实时观测的试验方法，具体步骤为：

（a）配置透明土溶液

用Krystol40白油（折射率为1.451）和高级化妆品级白油（折射率为1.464）按照质量比1:1混合配置，并使流体的折射率为1.459，并加入储液器6中；

（b）设置渗流试验模型系统

调试排水管、出液阀13、收液器5、电子天平3及MD-20RZ(M)-N系列磁力水泵4，然后在模型箱1底部铺设过滤层10，过滤层10以上分层铺设透明土固体颗粒9，在距透明模型箱1顶部一定高度的平面上均匀布设6个溢流口，然后通过进液管依次连接进液阀12、水头量管2、磁力水泵4和储液器6，关闭进液阀12，开动磁力水泵4，让透明土溶液17进入水头量管2，灌满后停止磁力水泵4；

（c）安装调试PIV测试系统

设置3个CCD高速相机在透明模型箱的前方、上方和一侧方，2个CCD高速相机设置在水头量管2的侧边，每个CCD高速相机附近的上方设置一LED泛光灯14，CCD高速相机均与图像采集处理器15连接，调试PIV测试系统，保证与其它系统同步工作；

（d）安装调试孔压测试系统

对均匀设置于透明模型箱内侧面的HC-25微型孔压传感器进行标定，并调试采集系统，保证与其它系统同步工作；

（e）同时打开进液阀12、出液阀13、所有仪器设备的电源、LED泛光灯14、图像采集处理器15及计算机软件采集记录，通过水头量管侧边的CCD高速相机、电子天平和微型孔压传感器可分别快速连续的量测土体的进出水量和土体孔隙水压变化情况，同时根据不同饱和度的透明土具有不同的颜色灰度，实现渗流场湿化前沿轨迹的跟踪，通过模型箱周边的CCD高速相机连续、多侧面的拍照，来实现高时空分辨率的非饱和土三维渗流场观测。

上述试验过程中，水头量管的液面一直处于变化中，属于变水头的非饱和土渗透模型试验。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于：本实施例的试验过程中磁力水泵一直处于工作状态，水头量管的液面保持不变，这种试验类型属于常水头的非饱和土渗透模型试验。

实施例三

本实施例与实施例一的区别在于：本实施例的试验过程中过透明土颗粒采用硅粉来模拟透明黏土，可用研究非饱和透明黏土的渗流场的变化规律。

实施例四

本实施例与实施例一的区别在于：本实施例的试验过程中透明土颗粒用硅粉和熔凝石英按照不同级配进行混合，以此可研究不同颗粒级配对非饱和土渗流场的影响。

实施例五

本实施例与实施例一的区别在于：本实施例的试验过程中透明土土颗粒替换为砂土或黏土，透明土溶液替换为水，天然水或其他人工处理获得的水，以此模拟自然状态的降雨对非饱和土渗流场的影响。

本发明公开的试验装置通过电子天平、CCD高速相机和微型孔压传感器可分别快速连续的量测土体的进出流体量和土体孔压变化情况，同时根据不同饱和度的土体具有不同的颜色灰度，来实现渗流场湿化前沿轨迹的跟踪，PIV测试系统拍照速度快、照片分辨率高，可通过PIV厕所系统实时观测非饱和土三维渗流场的变化规律。

上面结合实施例对本发明进行阐述，但本发明不限于上述实施例，凡依据本发明技术方案做出的改变、修饰、替代、组合或简化，均应在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高时空分辨率的非饱和土三维渗流场观测试验装置，其特征在于：它包括渗流试验模型系统、PIV测试系统和孔压传感器量测系统；

渗流试验模型系统包括上部开敞的透明模型箱，模型箱内装满土颗粒，模型箱外部设有进液装置，进液装置包括储液器及通过进液管依次连接的磁力水泵、水头量管、进液阀和溢流口，溢流口均匀的设置在模型箱上方，模型箱底部铺设过滤层，模型箱底部外侧设置有流体收集装置，流体收集装置包括出液管、出液阀、收液器及液体量测装置；

PIV测量系统包括泛光灯、CCD高速相机和图像采集处理器，CCD高速相机分别设置在透明模型箱的前方、上方和侧方及水头量管的侧边，泛光灯设在CCD高速相机上方，CCD高速相机与图像采集处理器连接；

孔压传感器量测系统包括孔压传感器，孔压传感器均匀的设置于透明模型箱的一侧面，孔压传感器与数据采集处理器相连。

2.根据权利要求1所述的高时空分辨率的非饱和土三维渗流场观测试验装置，其特征在于：所述土颗粒为砂土颗粒或黏土颗粒或透明土颗粒。

3.根据权利要求2所述的高时空分辨率的非饱和土三维渗流场观测试验装置，其特征在于：所述透明土颗粒为熔凝石英、石英砂、硅粉中的一种或任两种的混合物。

4.根据权利要求1或2所述的高时空分辨率的非饱和土三维渗流场观测试验装置，其特征在于：所述土颗粒为砂土颗粒或黏土颗粒，储液器内液体为水；所述土颗粒为透明土颗粒，储液器内装有透明土溶液，透明土溶液与透明土颗粒的折射率相同。

5.根据权利要求4所述的高时空分辨率的非饱和土三维渗流场观测试验装置，其特征在于：透明土溶液为溴化钙溶液或Krystol40白油与高级化妆品级白油按照质量比1:1的配置的混合液或正十二烷与十五号白油按质量比1∶4 配置的混合液。

6.根据权利要求1所述的具有高时空分辨率的非饱和土三维渗流场观测试验装置，其特征在于：所述液体量测装置为电子天平，收液器置于电子天平上，或者收液器上带刻度。

7.根据权利要求1所述的具有高时空分辨率的非饱和土三维渗流场观测试验装置，其特征在于：模型箱的正面、上面和侧面的侧边均设置有等间距的图像分析参考圆点。

8.根据权利要求1所述的具有高时空分辨率的非饱和土三维渗流场观测试验装置，其特征在于：模型箱正面和背面设置有防止模型箱变形的钢支架。

9.根据权利要求1所述的具有高时空分辨率的非饱和土三维渗流场观测试验装置，其特征在于：所述过滤层的过滤材料为砾石或标准砂。